Космические двигательные установки, страница 17

O/F = m_ox / m_fuel                                                (17.15)

где O/F - коэффициент соотношения компонентов смеси, необходимый для производства требуемого удельного импульса, m_ox – масса окислителя, m_fuel – масса топлива. Объем баков вычисляется из объема загруженного топлива в каждом баке плюс приемлемый допуск на газовую подушку (объем газа в баке топлива, приблизительно 5%), проектный запас и топливо, остающееся в каждом баке из-за захваченных жидкостей или неточностей в загрузке или рабочих характеристик. Коэффициент соотношения компонентов смеси это критический параметр при определении размеров двигательной системы; следовательно, его выбор это первый шаг в определении количества топлива для данного набора требований к двигательной системе (суммарный импульс). Очень часто мы выбираем коэффициент соотношения компонентов смеси для другой системной выгоды, а не максимального I_уд . Рассмотрим пример двухкомпонентных систем, использующих N₂O₄/MMH. Они почти всегда используют коэффициент O/F 1.64, потому что это значение приводит к бакам равного размера. Равенство размеров упрощает производство баков, размещение в двигательных системах (конфигурация компоновки), и сборку.

Коэффициент O/F задается как

                                              (17.16)

где  - скорость массового расхода окислителя,  - скорость массового расхода топлива. Максимальное теоретическое значение характеристической скорости истечения С^* достигается как оптимальное соотношение компонентов смеси. Это оптимальное отношение O/F зависит от индивидуальных комбинаций топлива. Как правило, отношение O/F выбирается так, что продукты реакции имеют максимально достижимое значение T_c/M и, таким образом, наивысший возможный удельный импульс [Gordon and McBride, 1976].

В некоторых ситуациях различное отношение O/F приводит к улучшению комплексной системы. Для аппаратов с ограниченным объемом и низкой плотностью топлива, такого как жидкий водород, значительное уменьшение размера аппарата может быть достигнуто изменением отношения O/F в сторону обогащения окислителем. В этом случае потери в удельном импульсе более чем компенсируются снижением требований к вместимости топливных баков. Это потому что характеристика сгорания не самая сильная функция соотношения компонентов смеси. Эта ситуация, вероятно, возникнет с большой орбитальной транспортной установкой, доставленной на орбиту космическим кораблем Шаттлом, хотя могут быть также и другие ситуации.

Требования газа наддува зависят от типа использованной системы наддува – регулируемой или вытяжной (рис. 17-8), или некоторой комбинации из двух. Приблизительно от 5 до 10 процентов незаполненного объема в топливных баках предусматривается для насосной системы подачи топлива или стабилизированной нагнетающей системы. Полный объем топливного бака для системы продувки это полный объем топлива V_p и начальный газовый объем V_g в баке. Они связаны посредством коэффициента продувки R

                           (17.17)

где V_gf это конечный газовый объем, игнорируя оставшийся объем топлива в конце срока службы, а также изменяющуюся из-за температуры плотность. Планирование запаса загрузки жидкого топлива зависит от задачи, но может быть до 25 процентов для начального эскизного проекта. Остаток топлива можно получить очень подробно путем анализа, включая статистические и детерминистические источники ошибок. Приемлемая начальная оценка – 5 процентов.

Для большинства систем мы можем определить массу газа наддува из уравнения состояния идеального газа, но только когда топливо выходит изотермически (в системах продувки с низкими рабочими циклами). Иначе вычисление массы газа наддува может стать термодинамически сложным. Использование аппроксимации сохранения энергии для вычисления массы газа наддува дает следующее отношение